地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

岳新凱

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的地鐵工程建設(shè)越來越多，為人民的出行以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了非常重要的作用。在地鐵工程施工中，基坑支護(hù)的主要作用是保證工程開挖的安全性，避免出現(xiàn)不安全事故。而通過對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，大幅減少了樁基成孔、鋼筋制安、混凝土澆筑等工程量，節(jié)約了工期，同時為基坑土石方開挖和主體結(jié)構(gòu)施工創(chuàng)造了較為便利的施工條件?；诖?，文章對地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行分析，以期能夠提供一個借鑒。

【關(guān)鍵詞】地鐵車站；基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.支護(hù)結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化設(shè)計(jì)作用

（1）對結(jié)構(gòu)體的補(bǔ)強(qiáng)。根據(jù)受力分析和大量工程監(jiān)測資料表明，支護(hù)樁樁頂位移、樁身變形以及樁身鋼筋應(yīng)力都是中間樁大，在基坑拐角附近（約l/5基坑邊長處），支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較小，可以適當(dāng)?shù)臏p小樁長和配筋數(shù)量或采用單排樁與雙排樁混合形式；對于鋼筋籠易控制的人工挖孔樁，可采用單面配筋以減小配筋數(shù)量。

此外，在基坑拐角處設(shè)置斜撐，費(fèi)用不多，但卻可以大大增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度及穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時應(yīng)優(yōu)先考慮。對具體方案的細(xì)部進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時，如錨桿或支撐點(diǎn)的位置和層數(shù)、支護(hù)樁的樁徑和樁距等均可進(jìn)行優(yōu)選。

（2）對土體的補(bǔ)強(qiáng)

對于土體的補(bǔ)強(qiáng)，一般情況下是對于被動區(qū)土進(jìn)行加固。而如果加固深度Hr/H（Hr）被動區(qū)補(bǔ)強(qiáng)體砌入基坑底的深度，H-基坑開挖深度）為015-016時，效果最好。對于深、厚流塑至軟塑粘性土層的深基坑，支護(hù)結(jié)構(gòu)體前的主動土壓力非常大；另一方面，在基坑開挖過程中和開挖后，由于土體自重應(yīng)力釋放、土體松弛與儒變以及支護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)的變形擠壓等方面原因，導(dǎo)致坑底隆起變形和坑底下一定范圍內(nèi)土體強(qiáng)度的降低。為了控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，減少坑底隆起，降低工程造價，可在基坑開挖前一定時間（加固土體的硬結(jié)時間）內(nèi)，對支護(hù)結(jié)構(gòu)被動區(qū)進(jìn)行加固。加固的形式有格構(gòu)式暗撐、齒形暗扶壁和暗墻、微型樁、高壓注漿等。

2.工程概況

該地鐵車站呈西南至東北走向布置，橫跨花地大道，與I號線西朗站通過換乘通道相接，車站全長386.3m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7m，基坑深度15.84m，為地下兩層結(jié)構(gòu)。圖1為該車站平面示意圖。工程地質(zhì)巖土性狀及物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

2.1鉆孔灌注樁+鋼支撐支護(hù)型式分析

2.1.1力學(xué)計(jì)算結(jié)果

地層參數(shù)按表2選取，采用同濟(jì)啟明星支護(hù)軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型見圖3。鉆孔灌注樁內(nèi)支撐支數(shù)值護(hù)型式計(jì)算成果見表3。

2.1.2經(jīng)濟(jì)分析

見表4。

通過表4分析，樁長是影響造價的主要因素其次是樁的直徑及間距在滿足基坑整體穩(wěn)定性的條件下，Ф800mm@1400mm的鉆孔灌注樁支護(hù)型式與Ф1000mm@1800mm的鉆孔灌注樁支護(hù)型式，造價基本相仿，而Ф1000mm@1600mm，造價相對偏高，考慮到本線部分車站主體穿越粉細(xì)砂層，樁間距較小時可防止砂土流失，暫推薦采用Ф800mm@1400～的鉆孔灌注樁。

2.2鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)型式分析

2.2.1力學(xué)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見表5。

2.2.2經(jīng)濟(jì)分析

針對表6分析，Ф800@mm1400mm的鉆孔灌注樁，豎向設(shè)置4道預(yù)應(yīng)力描索，下插角度為20°時較為經(jīng)濟(jì)。

2.3優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

通過相關(guān)工程類比及結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，最終確定優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)由疏排鉆孔灌注樁+三道支撐體系組成?；又ёo(hù)標(biāo)準(zhǔn)段采用Ф1000mm@2000mm的疏排鉆孔灌注樁，部分淤泥較深和靠近建筑物的局部地段支護(hù)樁采用Ф1000mm@1150mm的疏排鉆孔灌注樁，樁間迎水而樁間采用Ф600mm旋噴樁r.水，背水而樁間噴錨支護(hù)，如圖2所示。同時調(diào)整支撐體系，第一道混凝土支撐水平間距由6m調(diào)整為10m，第二、三道鋼支撐水平間距由3m調(diào)整為5m。

2.4鋼管支撐與預(yù)應(yīng)力錨索經(jīng)濟(jì)分析

本節(jié)針對同樣深度的基坑在不考慮格構(gòu)柱的施工干擾及后期處理情況下，對樁加預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)型式的單延米造價與樁加內(nèi)支撐支護(hù)型式的單延米造價進(jìn)行對比（錨索采用一次性錨索，考慮到鋼支撐重復(fù)利用，租賃時間按9個月計(jì)，基坑寬度大于25m時，架設(shè)臨時立柱），當(dāng)基坑寬度達(dá)到33m時，2種支護(hù)型式造價才基本相當(dāng)，因此，在不考慮其他相關(guān)施工因素，當(dāng)基坑寬度小于33m時，鋼支撐的支護(hù)型式是較為經(jīng)濟(jì)的。

2.5基坑開挖

基坑開挖前，根據(jù)工程結(jié)構(gòu)形式、基坑深度、地質(zhì)條件、氣侯條件、周圍環(huán)境、地面荷載等有關(guān)資料，會同設(shè)計(jì)單位共同確定基坑開挖方案和地下水控制施工方案?；娱_挖遵循“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的原則，以便土方及支護(hù)穿插施工?；娱_挖過程中，避免碰撞鋼支撐及圍護(hù)樁。

2.6基坑監(jiān)測

在基坑開挖的過程中必須進(jìn)行監(jiān)測，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)基坑施工全過程。根據(jù)本基坑支護(hù)及周圍環(huán)境的特點(diǎn)，需進(jìn)行監(jiān)測的項(xiàng)目包括支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測和周圍環(huán)境監(jiān)測?；颖O(jiān)測應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)的專業(yè)監(jiān)測單位進(jìn)行。監(jiān)測單位應(yīng)根據(jù)環(huán)境圖、支護(hù)平面圖等布置監(jiān)測點(diǎn)，并經(jīng)設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位同意后方能實(shí)施。各監(jiān)測項(xiàng)目在基坑支護(hù)施工前應(yīng)測得穩(wěn)定的初始值。各項(xiàng)監(jiān)測工作的時間間隔參照有關(guān)規(guī)范執(zhí)行。所有監(jiān)測安排以確?；又ёo(hù)及周邊環(huán)境安全為宗旨。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工及基坑開挖期間出現(xiàn)異常情況時，適當(dāng)加密監(jiān)測次數(shù)，并采取有效措施進(jìn)行控制。各監(jiān)測項(xiàng)目的監(jiān)控報(bào)警值取控制值的80%。

2.7支護(hù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

（1）計(jì)算原理支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算基于增量法原理，即采用彈性支點(diǎn)法和極限平衡法模擬基坑開挖和回筑施工過程中各種基本因素對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響，在分步計(jì)算中考慮結(jié)構(gòu)體系受力的連續(xù)性，跟蹤施工全過程逐階段計(jì)算。開挖面以下用一組彈簧模擬地層水平抗力，土的水平抗力系數(shù)按K法確定，采用彈性支點(diǎn)法計(jì)算。支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用“理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件”（F-SPW 5.41）。支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖3。

（2）主要荷載

1）結(jié)構(gòu)自重：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重按25KN/m3計(jì)。

2）水土側(cè)壓力：施工階段按朗金主動土壓力進(jìn)行計(jì)算，使用階段按靜止土壓力進(jìn)行計(jì)算。

3）地面超載：標(biāo)準(zhǔn)段按20KN/m3計(jì)，盾構(gòu)吊出端按70KN/m3計(jì)，A4建筑物位置按60KN/m3計(jì)。

（3）巖層、土層設(shè)計(jì)計(jì)算基本參數(shù)

巖層、土層力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見表2。

該車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段深度為15.84m，按一級基坑考慮。根據(jù)勘察資料和設(shè)計(jì)規(guī)范要求，基坑以下支護(hù)樁嵌固深度確定為：中風(fēng)化層不少于2.5m，微風(fēng)化層不少于1.5m。

（4）計(jì)算結(jié)果

設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后，該車站以24個地質(zhì)鉆孔進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，經(jīng)過驗(yàn)算，基坑全部樁身的最大水平位移、承載力與穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。文章通過實(shí)例，對地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，大幅減少了樁基成孔、鋼筋制安、混凝土澆筑等工程數(shù)量，節(jié)約了工期，經(jīng)濟(jì)效益顯著。更重要的是，能夠在很大程度上提高工程的施工安全性，保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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